Pис. 1 - Підсумкове виробництво висококонцентрованого водовугільного палива в різних країнах світу в період 1983-1995 рр. Анімація вміщує 7 кадрів з затримкою в 50 мс між кадрами; затримка до повторного показу - 500 мс; кількістьт циклів - 10

Ціль роботи. В роботі необхідно вирішити наступні завдання:

1. Встановити залежність між складом твердої фази та реологічними параметрами ВВП.

2. Визначити вплив методів збагачення на якісні характеристики ВВП і розробити рекомендації до їхнього використання в схемах приготування твердої фази водовугільного палива.

3. Виробити методологічний підхід до вибору доцільного рівня зольності твердої фази і на підставі отриманих результатів розробити технології одержання ВВП стосовно до вугілля різних родовищ.

Практична цінність результатів роботы - одержання даних про можливість вдосконалення технології збагачення та підготовки вугілля при приготуванні висококонцентрованого водовугільного палива.

Огляд досліджень по темі у світі

Ідея використання водовугільних суспензій як палива зародилася ще в 50-х роках в різних наукових школах світу, зокрема в Інституті горючих копалин АН СРСР. Пошуки технології їхнього приготування і використання диктувалися загостренням необхідності утилізації тонких вугільних шламів, що накопичилися у великих кількостях внаслідок інтенсивного розвитку гідровидобутку і гідротранспорту вугілля, а також при збагаченні вугілля мокрим способом. Для дослідження процесів приготування та горіння суспензій було побудовано кілька експериментальних установок в США, ФРН та інших країнах.
Інтерес до ВВП відновився у зв'язку зі світовою нафтовою кризою в середині 70-х років. Активізація досліджень викликалася необхідністю зниження залежності великих споживачів від нафтових постачальників. Найбільша кількість наукових організацій, виробничих фірм і корпорацій було притягнутою до проблеми в 1979-1984 роках. Більше 100 організацій у США, Швеції, Великобританії, Китаї, Японії, Канаді, Італії, Росії, Україні та ряді інших країн займалися вивченням і впровадженням ВВП [5].

Сучасні технічні рішення по приготуванню водовугільного палива

На сьогодні за кордоном розроблено та апробовано на експериментальних і промислових установках кілька технологічних схем приготування водовугільного палива. Технологічна схема «Carbogel» включає двостадійне подрібнювання з контролем крупності продукту, що подрібнюється, і роботою млина другої стадії в замкнутому циклі; двостадійну флотацію з перечищенням пінного продукту; зневоднювання пінного продукту та змішування його з хімічними добавками.
За технологією «Densecoal» фірми «Salzgitter Industriebau Gmb» існує близько 20 схем одержання ВВП. Основні операції подібні до «Carbogel»: подрібнювання (мокре або сухе); класифікація; збагачення флотацією; десульфуризація; гомогенізація з додаванням хімічних речовин. Як вихідна сировина використовується вугілля із вмістом летких речовин менше 18 % і зольністю близько 11%. Технологія фірми «Nycol», яка впроваджена у Швеції в 1981 р., для збагачення здрібненого вугілля також передбачає флотацію.
Для приготування ВВП за технологією «Fluidcarbon» використовується 4 основні стадії: мокре подрібнювання в кульових млинах; пінна флотація із застосуванням збирачів, піноутворювачів і модифікаторів; зневоднювання до вологості 20-25 % на барабанних фільтрах із додаванням ПАР, перемішування концентрату з водою та диспергаторами. У результаті збагачення зольність твердої фази ВВП 2,8 %. Основним недоліком розглянутих технологій є застосування флотації безпосередньо перед операцією змішування вугілля з хімічними добавками. Цим ускладнюється задача одержання стабільного гранулометричного складу твердої фази, близького до оптимального. Розподіл подрібнених частинок вугілля за крупністю в пінному і камерному продуктах флотації значною мірою залежить від поверхневих властивостей мінералів, що розділяються, і може суттєво відрізнятися для вугілля із різними зольністю, ступенем вуглефікації, кисневістю. Зневоднювання флотоконцентрату на вакуум-фільтрах неминуче приводить до видалення з нього мікронних частинок, які помітно впливають на в'язкість і сидементаційну стійкість ВВП. Зазначені недоліки відсутні в технології «Co - Al» фірми «Babcock Power Ltd» (Великобританія). Особлива увага одержанню оптимального гранулометричного складу приділяється в технології приготування ВВП фірми «Snamprogetti» (Італія).
На підставі вищевикладеного можна сказати, що основним процесом збагачення в промислово освоєних технологіях приготування ВВП є флотація.

Огляд досліджень по темі в Україні

В Україні ж можливості будівництва фабрики по приготуванню ВВП поки що тільки вивчаються. Нещодавно на базі шахти «Довжанська-Капітальна» був опробований пілотний проект по приготуванню ВВП. За оцінками Мінвуглепрому України, впровадження нової технології допоможе підприємству щорічно заощадити до 10 млн. м³ природного газу [16].
На жаль, використання ВВП поки не знайшло собі місця у великій енергетиці. Це при тому, що витрати на виробництво 1 Мвт/год електроенергії з використанням такого палива при транспортуванні його вуглепроводами нижче витрат, ніж при пилоподібному спалюванні вугілля, доставленого залізничним транспортом (особливо на далекі відстані: при дальності в 100 км - до 12%, на 1000 км - 22-32 %, 4000 км - 47-65%). Разом з тим використання ВВП замість прямого спалювання вугілля, газу і мазуту вимагає великих первісних капіталовкладень, особливо на першому етапі його промислового використання. Проте, для України питання переходу промисловості на водовугільне паливо залишається відкритим і, напевно, у майбутньому з ростом технічного прогресу він буде реалізований.

Основна частина

ВВП має ряд характерних переваг [6]:

1. Екологічні: ВВП порівняно безпечне для навколишнього середовища на всіх стадіях виробництва, транспортування та використання; в 1,5-3,5 рази знижує шкідливі викиди в атмосферу пилу, оксидів азоту, бензопірену, діоксиду сірки; забезпечує ефективне використання окремих компонентів леткої золи, що утворюється при спалюванні (зокрема полих мікросфер).

2. Технологічні: ВВП подібне до рідкого палива та при переході теплогенерируючих установок на спалювання ВВП не вимагає істотних змін у конструкції котлових агрегатів; можливе спалювання в топках для шарового спалювання твердого палива (як додаткове паливо), у камерних топках для пиловугільного та рідкого палива, при спалюванні в киплячому шарі; дає можливість легко механізувати і автоматизувати процеси прийому, подачі й спалювання палива; технологія вихрового спалювання при температурі 950-1050^о гарантує ефективність вигоряння палива понад 97% (при шаровому спалюванні вугілля це значення не перевищує 60%).

3. Економічні: знижує в 2-3 рази вартість 1 т умовного палива (у.п.); на 15-30% скорочуються експлуатаційні витрати при зберіганні, транспортуванні та спалюванні; забезпечує зниження в 3 рази капітальних витрат при переході ТЕЦ і ГРЕС зі спалювання природного газу і мазуту на водовугільне паливо; окупність витрат при впровадженні ВВП становить 1-2,5 роки.

Способи приготування водовугільного палива [8]:

1. Приготування ВВП з дозованою подачею попередньо дробленого вугілля, води та реагенту-пластифікатора на мокре подрібнювання в кульовому млині;

2. З включенням мокрого подрібнювання і класифікацією вугілля, подачею води і диспергаторів у млин, причому, процес ведуть із попередньою електрохімічною обробкою води;

3. Змішування з водою вугільного пилу розміром частинок не більше ніж 20 мкм (отримане паливо використовують для двигунів внутрішнього згоряння);

4. Приготування водовугільного палива шляхом мокрого подрібнювання вугілля з водою при нагріванні гідросуміші до 200-300^о струмами високої частоти під тиском 1,5-10 МПа та введенні в гідросуміш поверхнево-активних добавок;

5. Одержання водовугільного палива з бурого вугілля при сухому подрібнюванні, дегазації та змішуванні з водою і добавками в гомогенізаторі, причому, сухе подрібнювання вугілля ведуть одночасно з його гідрофобізацією в струминному млині.

Ці підходи досить трудомісткі та мають низьку продуктивність через труднощі з технологічними процесами хімічної обробки вугілля у зв'язку з підвищеними енергетичними витратами, складністю устаткування, внаслідок чого в одержуваного ВВП низький енергетичний потенціал і відносно висока вартість.
Найбільш перспективною на сьогоднішній день вважається технологія приготування, коли водовугільне паливо одержують сухим подрібнюванням попередньо дробленого до менш ніж 3 мм вихідного вугілля в роторно-вихровому млині до частинок розміром менше 20 мкм. При високошвидкісному ударному руйнуванні часток у помольній камері роторно-вихрового млина відбувається селективне розкриття зростків мінералів і вугілля. Мінеральні частинки з більш високою густиною і твердістю порівняно з органічною складовою вугілля на виході з помольної камери мають більші, ніж у частинок вугілля, розміри і під дією гравітаційних сил виділяються з основного потоку подрібнених частинок. У результаті цього процесу залишкова зольність водовугільного палива не перевищує 2-8 мас. %.
Для одержання висококонцентрованого ВВП, особливо з вологого бурого вугілля, необхідна часткова гідрофобізація поверхні частинок, достатня для забезпечення високої концентрації ВВП. Крім того, варто видалити не тільки повітря з пор, але і гігроскопічну вологу. При ультратонкому (менш ніж 20 мкм) високошвидкісному ударному подрібнюванні частинки вугілля, проходячи через помольну камеру роторно-вихрового млина, розкривають свої пори і висушуються до вологості менш ніж 0,5%, що і забезпечує необхідну гідрофобність поверхні вугільних зерен. У результаті істотно зменшується здатність частинок до зв'язування води, а саме водовугільне паливо має більш високу концентрацію твердої фази.
Подальша обробка гідравлічної суміші в диспергаторі сприяє створенню колоїдної системи із твердими частинками розміром менш ніж 5 мкм, у результаті чого одержують водовугільне паливо з поліпшеними фізико-механічними, структурно-реологічними, теплофізичними та екологічними властивостями для його тривалого зберігання, транспортування та спалювання в енергетичних установках, включаючи дизельні й газотурбінні.

Ефект від впровадження ВВП

На практиці застосування суспензійованого вугільного палива робить реальною заміну як звичайного вугілля та малоефективних методів його спалювання в шарових топках, так і дефіцитних рідких і газоподібних видів палива [9].
Особливо проблема загострюється у вугільних регіонах, де навколо вуглевидобувних і вуглепереробних підприємств у гідровідвалах та відстійниках накопичується велика кількість відходів вуглезбагачення у вигляді тонкодисперсних вугільних шламів. Її вирішують, як правило, досить примітивним шляхом. Води шахтного припливу, технологічні води збагачувальних фабрик із дрібними вугільними частинками скидаються в поверхневі відстійники, які періодично чистяться механо-гідравлічним способом; повторно добуті вугільні шлами або скидаються у відпрацьовані виробки шахт, або в найближчі яри і водойми. В окремих випадках відходи флотації зневоднюють і складують на вільних площах [10].
Перехід шламів у транспортабельне і технологічно зручне суспензійне водовугільне паливо забезпечить істотний економічний ефект і різко поліпшить екологічну обстановку в регіонах. При цьому, одержуване паливо і технології його використання повинні відповідати вимогам сучасного ринку: економічна конкурентоспроможність та мінімально можливий небезпечний екологічний вплив на навколишнє середовище при його одержанні та використанні. З огляду на те, що в собівартості вироблюваної теплової енергії паливо складає від 40 до 70%, зниження вартості палива або його питомої витрати стає важливим фактором загального економічного ефекту [11].
Стратегічні цілі при впровадженні суспензійованого вугільного палива визначаються: мінімізацією витрат на реконструкцію існуючих систем теплоенергетики; збільшенням економічної і екологічної ефективності систем теплоенергетики та створенням економічної мотивації для відмови від використання топкового мазуту, природного газу та вугілля із шаровим спалюванням; підвищенням надійності та гарантованої працездатності систем теплоенергетики; посиленням енергобезпеки кінцевих споживачів.
Судячи з відгуків фахівців, що просувають ВВП, це один з найважливіших енергоносіїв майбутнього [12]. Головні його переваги - дешевизна та екологічність. Вартість ВВП, готового для прямого використання, у перерахуванні на 1 т у.п. нижча за вартість мазуту в 2-4 рази і не перевищує 15-20% від ціни вихідного вугілля на місці його видобутку. Низька вартість 1 Гкал пояснюється тим, що рідке вугільне паливо можна виготовляти зі шламів: відходи вугільного виробництва дешевші, ніж видобуте буре або кам'яне вугілля. До того ж, ВВП пожежо- і вибухобезпечне. Технології його зберігання і транспортування прості та можуть бути повністю автоматизовані, перекачування можна здійснювати по трубопроводах аналогічно нафті. На відміну від мазутних цистерн, ємності, у яких узимку транспортується ВВП, легко очищаються від залишків палива.
При заміні вугілля на ВВП можна знизити викиди в атмосферу твердих часток в 2,5-3, оксидів азоту - в 1,5-2, а оксидів сірки - в 2-2,5 рази. Повнота згоряння цього палива - не нижче 95%. Після спалювання ВВП залишається порошок у вигляді конгломератів білого або сірого кольору, що складається, в основному, з неспаленних мінеральних частинок та золи виносу. Природно, настільки низький відсоток відходів спрощує рішення складного завдання вловлювання леткої золи [13].
Переробка шламів у ВВП вирішить і деякі інші проблеми галузей вуглевидобутку та ЖКГ. Рекультивація земель, зайнятих відвалами і відстійниками, поліпшить екологічну обстановку на вугільних шахтах і розрізах, а перехід котелень на автоматизовані процеси спалювання ВВП суттєво зменшить частку ручної праці. Питання про використання ВВП у світовій практиці не втрачає своєї актуальності. Роботи з удосконалювання та впровадження інновацій на початку 21 століття не припиняються в Японії, Італії, США, Канаді та інших країнах. У США реалізується програма використання вугілля в промисловій і побутовій енергетиці із загальним обсягом фінансування в $6 млрд. на найближчі 6-10 років. При рості цін на нафту та знятті обмежень на будівництво вуглепроводів прогнозується початок інтенсивного застосування водовугільного палива в різних галузях промисловості [14].
Відсутність достатньої кількості власних родовищ нафти і природного газу в Китаї змушує країну орієнтувати розвиток своєї енергетики на вугільне паливо. У той же час, жорсткі вимоги до охорони навколишнього середовища ускладнюють правила його використання. У мегаполісах КНР заборонені будівництво та експлуатація котелень, що працюють на вугіллі. Державною програмою уряду Китаю передбачений поетапний перехід підприємств із нафтогазового на водовугільне паливо. Це забезпечить скорочення імпорту нафти більш ніж на 70 млн. т, мазуту - на 20 млн. т на рік, що зменшить залежність паливно-енергетичного комплексу країни від зовнішнього ринку.
Сьогодні дослідженнями впровадження у сфері ВВП у Китаї займаються три науково-дослідних центри, шість заводів з виробництва ВВП, котелень, а також ряд електростанцій, що спалюють ВВП, виробляючи загалом до 2 млн. кВт енергії. Споживачами стали ТЕЦ, що раніше працювали на мазуті. Використовуються водовугільні суспензії також підприємствами хімічної, металургійної, целюлозно-паперової та інших галузей. Намічено будівництво великого заводу з виробництва ВВП, що збільшить його поставки втричі. Доставка споживачам здійснюється в залізничних цистернах [15].

Висновки

Незважаючи на широке впровадження нового виду рідкого палива в промислове виробництво, дотепер не розроблені чіткі рекомендації з регулювання параметрів ВВП. Численні експериментальні дані дають різноманітну, часом суперечливу оцінку впливу окремих факторів на текучість і седиментаційну стійкість водовугільних суспензій. Це пояснюється тим, що існуючі теоретичні основи регулювання властивостей висококонцентрованих дисперсних систем не враховують особливостей складу твердої фази ВВП. Відсутність теоретично й експериментально обґрунтованої залежності між складом, кількістю мінеральних домішок у ВВС і її реологічними параметрами перешкоджає створенню водовугільного палива з необхідними якісними характеристиками. Аналіз існуючих рішень по одержанню ВВП довів, що зольність твердої фази коливається в широких межах і визначається в основному вимогами споживачів до якості палива. При цьому існують лише поодинокі роботи по визначенню економічно доцільного рівня зольності вугілля в суспензії [19], що особливо важливо при використанні ВВП як замінника сухого вугілля на ТЕС і в котельнях. Невисокі вимоги споживачів до рівня зольності твердої фази в цьому випадку (А_d < 10-12 %) припускають можливість створення різноманітних технологічних схем, що дозволяють одержувати ВВП з різним змістом мінеральних домішок. І тільки на підставі порівняння всього комплексу витрат на приготування, транспортування і спалювання ВВП можна вибрати варіант технології одержання ВВП з максимальною економічною ефективністю.

На підставі огляду літературних джерел можна сказати про те, що при розробках технологій приготування твердої фази ВВП не враховується вплив методів збагачення, і зокрема флотації та масляної агломерації, на параметри водовугільного палива. Відсутні які-небудь дані про вплив попереднього омаслювання поверхні вугілля аполярними реагентами на ефективність її взаємодії з реагентами-пластифікаторами, на агрегативну стійкість і текучість ВВС. У той же час, різний характер дії реагентів-збирачів і пластифікаторів припускає негативний вплив флотаційного та масляно-агломераційного збагачення на реологічні властивості водовугільного палива.

Література

1. Делягин Г.Н. Экологически чистое топливо ЭКОВУТ – путь резкого улучшения экологической ситуации в энергетике России. с.320 – 323
http://energo20.ru/article-88-43-453.html

2. Исскуственное композиционное жидкое топливо из угля и эффективность его использования / Овчинников Ю.В. д.т.н., Луценко С.В.
http://www.rosteplo.ru/Tech_stat/stat_shablon.php?id=624

3. Использование вибромельниц для приготовления ВУТ
http://www.nbuv.gov.ua/portal/natural/Mt/2008/St/08pvaeim.pdf

4. Влияние температуры на реологические характеристики водоугольных суспензий из бурых углей / М.П. Баранова, М.Л. Щипок, Б.Н. Кузнецов
http://liquidcoal.ru/2008/10/17/33

5. Технологии сжигания водоугольного топлива (ВУТ) в котельных и на электростанциях / Ф. А. Серант, Л. И. Филин, Ю. В. Овчинников, К. В. Агапов, В. Ф. Рульковский, Ю. Н.
http://svetercom.ru/news/1/24/

6. Получение высококонцентрированного ВУТ на основе бурых углей разной степени окисленности / Савицкий Д. П., Макаров А. С., Егурнов А. И.
http://vodougol.ru/technology

7. Евгений Карпов Газета "Энергетика и промышленность России"
http://www.ntpo.com/patents_fuel/fuel_4/fuel_32.shtml

8. Павел Сухов Огненная вода
http://www.ntpo.com/patents_fuel/fuel_4/

9. Применение экологически чистого водоугольного топлива - один из путей энергосбережения / В. И. Мурко, д.т.н., директор ФГУП «НПЦ «Экотехника», В. И. Федяев генеральный директор ЗАО НПП «Сибэкотехника»
http://masters.donntu.ru/2009/feht/bondarenko/ htm

10. Газета: № 03 (119) февраль 2009 года: Производство и энергетика: Кавитационная технология приготовления водоугольного топлива
http://www.ntpo.com/patents_fuel/fuel_1/fuel_26.shtml

11. А. А. Круть, канд. техн. наук, НПО «Хаймек», Л. Н. Козыряцкий, канд. техн. наук, Донецкий национальный технический университет ВУТ на основе угольных шламов
http://www.inno.ru/project/29649

12. Кавитационные технологии для приготовления жидкого угля.
http://liquidcoal.ru

13. Морозов А.Г., Мосин С.И., Мурко В.И. ВУТ в теплоэнергетике // Энергия: экономика, техника, экология. 2007. № 4

14. Делягин Г.Н., Корнилов В.В., Кузнецов Ю.Д., Чернегов Ю.А. Совершенствование водоугольного топлива и перспектива его применения // Приложение к научно-техническому журнала «Экономика топливно-энергетического комплекса России». М.: ВНИИОЭНГ. 1993. 31 с.

15. Брагин Б.Ф. Трубопроводный гидротранспорт твердых материалов: В 2 т.- Киев, 1993.-Т.2.- 327 с.